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光合作用是指綠色植物（包括藻類）利用光能,，把二氧化碳和水合成有機物,，并釋放氧氣的過程。光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng),，對維持大氣的碳-氧平衡具有重要意義,，同時也為地球上的生命直接或間接地提供了生存需要的物質(zhì)和能量。人工光合作用 (Artificial Photosynthesis) 是模仿植物光合作用實現(xiàn)對太陽能的轉(zhuǎn)化,、存儲和利用,。目前正在利用的風(fēng)能和太陽能是重要的清潔能源，但它們重要的缺點是能量密度不夠,，并且這些可再生能源不夠穩(wěn)定,，需要大量專業(yè)蓄電設(shè)備，而人工光合系統(tǒng)可以直接用有機物來儲存能量,，可以克服這些問題,。因此，人工光合被認為是應(yīng)對全球能源挑戰(zhàn)的重要途徑,。經(jīng)過200多年的研究,，光合作用過程和相關(guān)機理已經(jīng)非常清晰。近年來,，得益于科技技術(shù)的進步,，人工光合作用發(fā)展迅速，重要研究成果不斷涌現(xiàn),。從2003年美國啟動“太陽神計劃”,，用半導(dǎo)體制成光化學(xué)二極管加上不同的催化劑，實現(xiàn)太陽能的吸收,，把二氧化碳和水變成我們需要的化合物,，到2014年第一個人工光合作用集成系統(tǒng)誕生，再到近幾年的光合酶與人工合成的納米材料結(jié)合實現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)化,，都為人工光合系統(tǒng)的構(gòu)建和利用奠定了重要基礎(chǔ),。葉綠體光合作用的主要場所。光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段都在葉綠體進行,，實現(xiàn)光吸收,、電子傳遞、光合磷酸化,、碳同化等關(guān)鍵生化步驟,。2020年5月8日,，來自德國馬普所和法國波爾多大學(xué)的研究人員在Science發(fā)表了題為Light-powered CO2 fixation in a chloroplast mimic with natural and synthetic parts的論文，報道了一半天然,，一半合成的人造“葉綠體”,，并利用光和該系統(tǒng)實現(xiàn)了CO2的固定。該研究從菠菜（Spinacia oleracea）中分離類囊體膜,，并將其與16種酶一起包裹在油包水液滴中,，其中包含巴豆酰輔酶A (crotonyl-coenzyme A, CoA)/乙基丙二酰-CoA /羥基丁酰-CoA (ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA, CETCH) 途徑。CETCH途徑用于CO2固定的連續(xù)循環(huán),，旨在補充在體外模型中使用的六種天然存在的碳固定途徑,。該系統(tǒng)利用光能把CO2轉(zhuǎn)化成乙醇酸，同時還將二磷酸腺苷（ADP）磷酸化為ATP,，從而成功地重建了重要的光合植物合成代謝途徑,。光照后，該系統(tǒng)中ATP增加,，NADPH減少,，并且生成了乙醇酸，證明了該系統(tǒng)的有效性,。利用CETCH（version 7.0） 實現(xiàn)連續(xù)的CO2 固定為了將該系統(tǒng)推向應(yīng)用,，研究進行批量生產(chǎn)的方法，研究人員進一步利用微流體技術(shù)以自動化的方式創(chuàng)建了成千上萬的油包水液滴,。使用這種按比例放大的液滴生產(chǎn)方法,，研究者設(shè)計了對反應(yīng)條件的精確控制，并通過對NADPH熒光成像對反應(yīng)進程進行了可視化處理,。這標(biāo)志著邁向合成植物細胞發(fā)展的非常重要的一步,。總之，該項研究中的人造“葉綠體”具有光合作用的基本特征,，即利用光能把無機碳生成有機物,，是合成生物學(xué)領(lǐng)域的一項重要進展，也是一項構(gòu)建自養(yǎng)合成細胞的關(guān)鍵工作,。同時,，人工利用光能把CO2固定為多碳化合物也為許多其它領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，例如,，人造生物反應(yīng)器中的小分子或藥物合成,，以及人造生物系統(tǒng)的開發(fā)。https://science./content/368/6491/649
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